Instituto Tecnológico de Buenos Aires
Proyecto Final de Ingeniería Electrónica
Sistema de medición del desempeño de colectores
solares
Alumnos:
Rodrigo Iribarren 53171
Rocco Rondinella 53201
Julián Tachella 53233
Tutor:
Alejandro Ugarte
Índice
1. Agradecimientos 3
2. Resumen 4
3. Introducción 5
3.1. Historia, antecedentes . . . 5
3.2. Deniciones, glosario de términos . . . 6
3.3. Justicación del proyecto . . . 11
4. Objetivos 12 4.1. Finalidad del proyecto . . . 12
4.2. Planteamiento del problema a resolver . . . 12
5. Denición del producto 13 5.1. Requerimientos . . . 13
5.1.1. Construcción de la casa de calidad . . . 13
5.2. Especicaciones funcionales y de diseño . . . 15
5.2.1. Especicaciones de hardware . . . 15
5.2.2. Especicaciones de software . . . 16
6. Análisis de factibilidad 17 6.1. Factibilidad tecnológica . . . 17
6.1.1. Propuesta de alternativas de diseño . . . 17
6.1.2. Elección de una solución . . . 17
6.1.3. DFMEA . . . 19
6.2. Factibilidad de tiempos . . . 26
6.2.1. Planicación . . . 26
6.2.2. Programación . . . 30
6.3. Factibilidad económica . . . 30
6.4. Factibilidad legal y responsabilidad civil . . . 33
7. Ingeniería del detalle 34 7.0.1. Hardware . . . 35
7.1. Software . . . 39
7.1.1. Diagrama de estados y ujogramas . . . 41
7.1.2. Descripción de subrutinas . . . 43
7.1.3. Plan de prueba de módulos y de depuración del soft . . . 45
8. Construcción del prototipo 46 8.1. Denición de los módulos . . . 46
8.1.1. Diseño mecánico . . . 48
8.2. Detalles de construcción y precauciones especiales de montaje . . . 49
9. Validación del prototipo 51 9.1. Validación del hardware . . . 51
9.1.1. Bancos de pruebas . . . 51
9.1.2. Tests . . . 53
9.1.3. Matriz de trazabilidad y plan de medidas . . . 59
9.1.4. Medidas . . . 62
9.1.5. Evaluación . . . 72
9.2. Validación del software . . . 72
10.Estudios de conabilidad de hardware y software 76 10.1. Conabilidad de hardware . . . 76
10.1.1. Fuentes de alimentación . . . 76
10.1.2. Microcontrolador . . . 78
10.1.3. Sensores . . . 79
10.1.4. Módulo GPRS . . . 81
10.2. Conabilidad de software . . . 82
11.Conclusiones 84 11.1. Excelencias. Objetivos alcanzados . . . 85
11.2. Fallos. Recomendaciones para futuros diseños . . . 86
12.Anexos 87 12.1. Planos . . . 87
12.2. Esquemas . . . 88
12.2.1. Anexo Shield . . . 88
12.3. Listado de partes . . . 90
12.3.1. Sensores . . . 90
12.3.2. PCB . . . 90
12.3.3. Miscelaneo . . . 90
12.4. Códigos del software . . . 90
12.5. Experiencias accesorias . . . 124
12.6. Hojas de datos de componentes . . . 125
12.7. Hojas de aplicación . . . 188
13.Bibliografía 257 13.1. Libros . . . 257
13.2. Notas de aplicación . . . 257
1. Agradecimientos
2. Resumen
Este trabajo documenta el diseño de un sistema de medición de las variables relacionadas al rendimiento de colectores solares térmicos. El trabajo fue realizado en el marco de un proyecto multidisplinario propuesto por el ITBA y la fundación FOVISEE, que busca promover la instalación de colectores solares en barrios carenciados de Argentina. El producto desarrollado es una alternativa de bajo costo y bajo consumo para medir el desempeño de los colectores solares instalados en el barrio de La Perla, Moreno, Buenos Aires, Argentina.
3. Introducción
3.1. Historia, antecedentes
La energía térmica proveniente del sol, posee múltiples aplicaciones, una de las más relevantes es la obtención de agua caliente para uso doméstico. En la última década en Argentina, surgieron muchas PyMes dedicas al diseño y fabricación de colectores solares térmicos. Desde el año 2008, el Instituto Nacional de Tecnología Industrial, INTI, brinda asistencia a la industria nacional a través de la Plataforma Solar Térmica ubicada en la sede de San Martín. Dicha plataforma posee el equipamiento necesario para realizar mediciones de los productos de los fabricantes a partir de simulaciones de consumo.
En el año 2010, se llevó a cabo la iniciativa 'Casas por + energía', en el cual el INTI, la municipalidad de Moreno, EDENOR y la fundación FOVISEE (Foro de Vivienda Social y Eciencia Energética) se unieron para instalar 10 colectores solares en el barrio La Perla de la localidad de Moreno (ver gura 2). La experiencia obtenida en ese primer trabajo, desembocó el año siguiente en el proyecto 'Energía solar en la vivienda social', con el propósito de desarrollar más de 2000 modelos económicos de colectores solares para barrios de casas construidas por el Estado. Sin embargo, a n de estimar la potencialidad de la iniciativa, surgió la necesidad de evaluar el desempeño de los colectores solares ya instalados en Moreno.
Figura 2: Instalación de colectores solares en Moreno
Debido a que la plataforma solar térmica del INTI no permite evaluar el verdadero rendimiento de las prestaciones de los colectores, dado que las mismas se ven afectadas en gran medida por la zona geográca en que se encuentran y la frecuencia de uso, surgió la necesidad de un sistema de medición económico, de bajo consumo eléctrico, que pueda ser instalado en Moreno y suministrar los datos de las mediciones a través de Internet.
del Departamento de Electrónica comenzaron a trabajar en el diseño de un sistema de medición de bajo costo y bajo consumo, que pudiera ser instalado en los colectores del barrio de La Perla.
3.2. Deniciones, glosario de términos
Anemómetro
Sensor capaz de medir la velocidad y dirección del viento. La medición de la velocidad del viento se logra mediante un conjunto de copas, denominado molinete. La medición de la dirección del viento se lleva a cabo con una veleta.
Bit
Unidad mínima de información de un sistema binario. En electrónica digital suele representarse como una tensión alta y una tensión baja.
C++
Es un lenguaje de programación de medio y/o alto nivel, que permite programar desde microcontroladores hasta complejos programas que corren en diferentes dispositivos, como computadoras, celulares, etc.
CFM
Cubic Feet per Minute, es una unidad utilizada en la industria para medir el ujo de aire de un sistema de ventilación. Mide la catidad de pies cúbicos por minuto de aire que el sistema es capaz de sumistrar.
Chars
Es un tipo de datos de 1 byte de tamaño, es decir 8 bits, cuyo tamaño es el mínimo necesario para representar el set completo de caracteres pertenecientes al código UTF-8. Este código contiene todas las letras del idioma inglés (desde la a hasta la z), y otros caracteres especiales.
CIDIM
La sigla CIDIM hace referencia al Centro Integrado de Desarrollo en Ingeniería Mecánica del Instituto Tecnológico de Buenos Aires, un laboratorio de mecánica ubicado en la sede de Parque Patricios del ITBA.
CIPSR
La CIPSR es una normativa europea que provee una regulación estandar para las emisiones electro-magnéticas de equipos multimedia.
Colector solar
Es un dispositivo que permite convertir radiación solar en energía térmica. Se utiliza para calentar agua mediante diversos metodos. Existen dos tipos de colectores solares: De placa plana y de tubos de vacío. Los colectores de tubos de vacío poseen mayor eciencia que los colectores de placa plana, ya que el metal receptor de la energía solar se encuentra dentro de tuberías de vidrio al vacío que reducen las pérdidas por convección y conducción.
Colector de placa plana
Figura 3: Colector solar de placa plana.
Colector solar de tubos de vacío
Un colector solar de tubos de vacío está formado por conductos de metal (en su mayoría cobre) alojadas en tubos de vidrio al vacío. Dentro de cada conducto circula un uido caloportador que recibe la energía solar captada por el metal. Existen dos categorías de colectores de tubos de vacío: De ujo directo y ujo indirecto o 'heat pipe'. En los colectores de ujo directo, el agua ingresa al conducto dentro del tubo de vidrio, se calienta por la energía solar y sale del conducto debido al efecto termosifón. En los colectores de ujo indirecto o 'heat pipe', el agua no circula dentro de los tubos de vacío. Cada conducto contiene un líquido de transferencia de calor (típicamente propilenglicol), que se evapora al recibir calor del sol y asciende al extremo superior del tubo. Luego el líquido caloportador evaporado transere el calor al agua circulante por el tanque, se enfría y vuelve al extremo inferior del tubo. Los colectores de tecnología 'heat pipe' son más resistentes a sobretemperaturas en climas calurosos que los colectores de ujo indirecto. En la gura 4 se pueden ver los colectores solares de tubos de vacío instalados en el Centro Integrado de Desarrollo en Ingeniería Mecánica, CIDIM, del ITBA.
Comando AT
Es el lenguaje desarrolado por la compañia Hayes Communications. Estos comandos son utilizados en mo-dems y cualquier dispositivo que sea compatible. El acrónimo AT signica "Atention", y precede todas las intrucciones en la posible lista de comandos.
Conversor digital-analógico
Un conversor digital-analógico, DA, es un dispositivo de hardware que se encarga de convertir una señal digital en una analógica, a una frecuencia de muestreo y tasa de bits especíca de entrada.
Conversor analógico-digital
Un conversor analógico-digital, AD, es un dispositivo de hardware que se encarga de convertir una señal analógica en una digital, a una frecuencia de muestreo y tasa de bits especíca de salida.
Corriente de inrush
La corriente de inrush es el valor pico de corriente que requiere un dispositivo apenas se lo enciende o enchufa a la red.
EMI
El término ElectroMagnetic Interference se reere a la perturbación que ocurre en un circuito, componente o sistema electrónico causada por una fuente de radiación electromagnética externa o interna.
EMS
El término ElectroMagnetic Sensitivity se reere a la sensibilidad de un sistema electrónico frente a radiación electromagnética en cuanto a su durabilidad y degradación de desempeño.
Efecto Termosifón
Es un fenómeno que se produce en los uidos cuando se calientan. Una sustancia se dilata al calentarse y disminuye su densidad. La porción más caliente del uido tiene menor densidad, de modo que asciende sobre la porción de uido más fría. Este efecto es responsable del intercambio de calor por convección. También puede servir para provocar una circulación natural en los ambientes habitados o en redes de tuberías.
Evaluation Board
La frase Evaluation Board proviene del inglés y signica placa de desarrollo. Es un circuito impreso que incluye un microprocesador y cuenta con hardware (numerosos pines de entrada y salida, una comunicación serie para programar el microprocesador, una interfaz de depuración de software, LED indicadores de estado, etc) dedicado a la prueba de dicho microprocesador, que facilitan la programación, prueba de módulos y depuración de errores.
FOVISEE
El Foro de la Vivienda Social y Eciencia Energética es una fundación sin nes de lucro que tiene como objetivo proveer soluciones energéticas a hogares de bajos recursos. Entre sus proyectos actuales, se encuentra la instalación de colectores solares en hogares carenciados. (Un enlace a su página web se encuentra en 13.3).
FPGA
Field Programmable Gate Array (FPGA) es un dispositivo programable que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser congurada mediante un lenguaje de descripción especializado (VHDL, Verilog u otro). La lógica programable puede reproducir desde funciones sencillas como una compuerta lógica hasta sistemas complejos como un microprocesador.
GPIO
I2C
Inter-Integrated Circuit (I2C) es un bus de comunicación sincrónica serie que es utilizado para la comuni-cación entre microprocesadores y periféricos de baja velocidad de corta distancia. Fue desarrollado por Philips en la década de 1980, pero en la actualidad no existen cargos de licenciamiento sobre el mismo.
IDE
Integrated Development Environment (IDE) es un entorno de desarrollo que permite programar aplicaciones. Normalmente es provisto por el fabricante del hardware y otras veces simplemente por terceros.
IEC529
La norma IEC529 especica la protección que posee un sistema respecto de cuerpos extraños, objetos sólidos y el ingreso de agua u otros uidos. El grado de protección se indica como IP XY donde X es la protección contra sólidos y Y protección contra el ingreso perjudicial de agua.
Internet of Things
Internet of Things (IoT) es un concepto que se reere a la utilización de tecnologías de comunicaciones y sistemas embebidos, para medir y controlar variables automáticamente a través de Internet.
INTI
La sigla INTI hace referencia al Instituto Nacional de Tecnología Industrial, una institución del Estado argentino dedicada a brindar ayuda a productores industriales, especialmente de pequeña escala. Este organismo estatal ofrece servicios de capacitación y soporte para el desarrollo tecnológico de la industria argentina.
PCB
El acrónimo PCB proviene del inglés donde sus siglas signican Printed Circuit Board y en español hace referencia a los circuitos impresos.
PLC Programmable Logic Controller (PLC), controlador lógico programable en español, es una computadora para automatizar procesos electromecánicos, que está diseñada para manejar múltiples señales de entrada y de salida, y trabajar en rangos de temperatura ampliados, con mayor inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a la vibración y al impacto.
Pull Up
El término es utilizado en el campo de la electrónica digital para indicar que en algún punto del circuito la tensión está jo a un nivel de referencia y sólo va a modicarse si algún dispositivo conectado en ese punto fuerza una cambio de tensión. Normalmente se implementa con una resistencia o divisor resistivo conectado a la alimentación.
Red GPRS
El General Packet Radio Service, es una red comunicaciones celulares creado en 1980 como extensión del sistema Global System for Mobile Communications (GSM). Esta red permite conectarse a Internet para poder subir datos con el uso de una tarjeta SIM. Se la conoce tambien como red 2.5G, ya que es el punto intermedio entre 2G y 3G.
Shield
Shield es el nombre que se le da a un circuito impreso que une diferentes partes del hardware, usualmente montado sobre la placa principal haciendo las veces de un ¨escudo¨.
SPI
UART
3.3. Justicación del proyecto
Este proyecto comenzó a partir de la iniciativa del ITBA y la organización FOVISEE, que crearon un equipo multidisciplinario de alumnos del último año de Ingeniería Industrial, Mecánica y Electrónica con el n de promover y desarrollar la utilización de colectores solares térmicos en sectores carenciados del país. El Departamento de Ingeniería Electrónica fue encargado con el desarrollo de un sistema de medición del desempeño de colectores solares, que pueda ser instalado en los barrios donde los colectores ya fueron colocados. De esta forma, se busca desarrollar una alternativa de bajo costo que sustituya la simulación del desempeño en las instalaciones del INTI, y provea datos reales del rendimiento de los colectores instalados. Cabe destacar que el proyecto cuenta con el apoyo del Banco Santader Río, que otorgó un presupuesto a cada Ingeniería.
El Departamento de Ingeniería Mecánica va a poder estimar con los datos recibidos la eciencia de cada colector según el lugar de instalación, y luego elegir el colector correcto para cada región. Asimismo, el Departa-mento de Ingeniería Industrial utilizará la información relevada para calcular la rentabilidad de instalar dichos colectores en cada sector y la reducción de emisiones de dióxido de carbono relacionada al uso de colectores solares en comparación con alternativas no renovables. Los esfuerzos de cada equipo conuyen en la necesidad de demostrar que la inversión en colectores solares es una alternativa rentable y eciente que debe ser utilizada por el Estado Argentino para otorgar agua caliente a sectores carenciados.
4. Objetivos
Se debe diseñar un sistema de medición de las variables relacionadas al desempeño de colectores solares tér-micos, que sea económico, de bajo consumo, sencillo de instalar y que entregue los datos relevados directamente al usuario a través de Internet.
4.1. Finalidad del proyecto
Desarrollar un sistema de adquisición de datos de colectores solares que entregue las mediciones en tiempo real a los equipos de Ingeniería Industrial y Mecánica del ITBA.
4.2. Planteamiento del problema a resolver
5. Denición del producto
5.1. Requerimientos
El principal cliente de este proyecto es el ITBA y FOVISEE, que mediante una serie de reuniones y la ayuda del INTI, nos transmitieron los siguientes requerimientos:
1. Se debe medir el caudal de agua del colector.
2. Se debe medir la temperatura de entrada y salida de un colector de una casa promedio de 4 personas. 3. Se debe medir la radiación solar que recibe el colector, pero sin una precisión elevada.
4. El sistema debe obtener la velocidad y dirección del viento donde esta instalado el colector.
5. El sistema debe poder medir el consumo de corriente eléctrica de un colector que posee la ayuda de un termotanque.
6. El sistema debe ser de bajo consumo de potencia, y debe disponer de un modo de bajo consumo que apague el sistema cuando hay menos de1litromin de caudal circulando por el colector.
7. El período de las mediciones debe ser congurable de forma remota, con un tiempo mínimo entre muestras de 3 minutos y un máximo de 1 medición por día. Si hay caudal circulando por el colector, las mediciones se deben tomar cada un mínimo de 3 minutos o menos, independientemente del tiempo congurado. 8. El costo del sistema debe no ser signicativo frente al costo del colector.
9. El relevamiento de datos debe ser remoto y no depender de una conexión tipo Ethernet o WiFi. Se debe utilizar la red celular para transmitir los datos, con tecnología GPRS u otra que tenga igual o mayor área de cobertura en la Argentina.
10. Los datos obtenidos deben poder leerse en un celular, mediante una aplicación compatible con Android que los baje de Internet. Además, deben poder descargarse desde cualquier computadora para realizar estudios estadísticos. Se deben poder almacenar todas las mediciones correspondientes a un período mayor a 2 años. 11. El sistema debe poder realizar todas sus funciones en el techo de una vivienda, es decir a la intemperie,
por períodos mayores a 2 años.
12. Los datos, además de ser enviados por la conexión remota, deberán ser almacenados en una memoria dentro del gabinete.
13. El sistema debe recibir alimentación de la tensión domiciliaria de220Vrms.
14. La distancia máxima entre los sensores del sistema y el gabinete debe ser mayor a 1 metro.
Qu al ity C h ar acter isti cs (a. k .a. "F unc tional R equirem ent s " or "H ow s ") D eman d ed Qu al ity (a. k .a. "C us tom er R equirem ent s " or "W hat s ") 0 1 2 3 4 5 1 9 12, 0 9, 5 4 5 4 3 3 2 9 10, 1 8, 0 4 1 1 1 1 3 9 12, 7 10, 0 4 1 5 3 3 4 9 11, 4 9, 0 3 0 3 3 3 5 9 8, 9 7, 0 3 1 1 1 1 6 9 10, 8 8, 5 5 0 0 0 0 7 9 10, 1 8, 0 5 5 5 5 5 8 9 6, 3 5, 0 3 2 3 3 3 9 9 8, 9 7, 0 3 5 5 5 5 10 9 8, 9 7, 0 3 5 5 5 5 Max Rel atio nsh ip Val ue in R ow Ο Ο M edic ión de Param et ros Signif ic at iv os ▲ ▲ Ο ▲ M ax R el ati o n sh ip Val u e in C o lu mn T ar g et o r L imi t Val u e W ei g h t / Imp o r tan ce Ο Ο Ο Ins talac íon s im ple R ango de m edic ión am plio Buena Prec is ión de m edic ión 3 5 6 6, 6 12, 1 Θ Θ Ο ▲ Θ x R el ati ve W ei g h t D iffi cu lty (0= Eas y t o Ac c om plis h, 10= Ex trem ely D if fic ult ) Ο Ο ▲ ▲ Θ Θ Θ Θ Θ Gabinete Sensor de T emperat ura Sensor de C audal Sensor de R adiación solar Sensor de Vient o Amperim etro Módulo de com unicac ión GPR S Θ ▲ ▲ Θ ▲ 3, 9 11, 8 7 5 9 9 9 9 113, 9 113, 9 347, 5 Ver gráf icos signif icat ivos , c apaz de ver mas de un Θ Conex ión con todos el colec tor, y poder acceder a dat os Bajo C onsum o de potenc ia C apaz de es tar en la int em perie R elev am ient o a dis tanc ia Int erf az s im ple c on el us uario Que no s ea un c os te repres ent at iv o frent e al C ST Bajo C ons um o Θ Θ Θ Alim ent ac ión de Linea Θ Θ Θ Θ Θ ▲ Ο Θ Ο Ο 3, 9 9 3 9 14, 3 12, 1 11, 8 193, 7 355, 7 237, 3 8 8 9 Θ Ο Θ ▲ 52, 5 241, 1 421, 5 355, 7 349, 4 9 9 Θ Ο 9 9 x x x Aplicac ión Android PaginaWeb ThingSpeak Mic roproces ador 4 Y ▼ 9 169, 0
▲ Θ Θ
▲ Ro w # D ir ecti o n o f Imp r o vemen t: M inim iz e (▼ ), M ax im iz e (▲ ), or T arget (x ) Fuent e sw itching Wei gh t / Imp ortan ce 11 12 13 14 15 Rel ative Wei gh t ▲ x x x 5 6 7 8 9 10 x
x erna oria Int Mem
x ┼┼ C o lu mn # 1 2 3 4 ┼ ┼ ┼ ┼ 3 M oderat e R elat ions hip C o mp eti ti ve A n al ysi s (0= W ors t, 5= Bes t) ▲ 1 ┼┼ W eak R elat ions hip St rong Pos it iv e C orrelat ion ▼ Objec tiv e Is T o H it T arget Objec tiv e Is T o M ax im iz e Pos it iv e C orrelat ion ┼ N egat iv e C orrelat ion ▬ St rong N egat iv e C orrelat ion ▼ Objec tiv e Is T o M inim iz e Ο Po w e re d b y Q F D O n li n e ( h tt p :/ /w w w .Q F D O n li n e .c o m ) Our C ompany INTI ONSET MC CD AQ DAT ALOGGERIN C Com petitor 5 0-100 m /m in, precis ión 1m /m in 8, 0 1, 8 8, 2 Rango 1-120 C , precis ión 0. 05C 1-100 lpm , prec isión 0.1lpm Luz t ípic a de día soleado, prec isión 1lux 2 6 4 0-20A con precis ión 0.1A Ο Θ 5, 7 N o todos s on c apac es de m edir c audal de agua. x Capaz de conec tars e a red 2G inc lusiv e Almac enar 1M es de medic iones ▲ IP34 T itl e: A u th o r : D ate: N o tes: R ondinella R oc c o, T ac hella J ulián, I ribarren R odrigo 18/ 05/ 2016 QF D para el des arrollo de un D at a Logger c om prados por s eparado. L eg en d Θ St rong R elat ions hip 9 La c om pet enc ia of rec e s is tem as géneric os , los c uales no s e es pec ializ an en es tar en la int erperie y el us o de red GSM . Por ot ro lado ut ilz ian equipam ient o indus trial, c aro y deben s er D at a Logger para C ST Our C o m p a n y INT I ONSET MCC DA Q DA T A LO G G E RIN C C o m p e ti to r 5
5.2. Especicaciones funcionales y de diseño
En esta sección se analizan las especicaciones de hardware y software de diseño. Junto al nombre de cada especicación se aclara su fuente entre paréntesis, ya sea un requerimiento de cliente (req. xx), propio de diseño (propio), o una normativa nacional (norm.).
5.2.1. Especicaciones de hardware
1. Tensión de alimentación (req. 13): Conexión a la línea domiciliaria de 220Vrms/50Hz con una variación de +10 % -20 % en la tensión nominal y ±1 % en la frecuencia nominal.
2. Grados de protecciónIEC529(req. 11): El gabinete cerrado con todos los cables conectados debe cumplir con IP55.
3. Temperaturas (req. 11): Se debe poder soportar una temperatura ambiente máxima de60◦C y una tem-peratura mínima de−5◦C en funcionamiento continuo para mantener las prestaciones.
4. Medición de intensidad solar (req. 3): Debe medirse la irradiancia total en un rango mayor o igual a las longitudes de onda comprendidas entre[500,600]nmcon una máxima diferencia de atenuación de0,5. El error absoluto, a fondo de escala, debe ser menor a 50mW2 en el rango espectral mencionado. Debe poder
medirse en el rango de0W
m2 a200000
W m2.
5. Medición de temperatura del agua de entrada y salida del colector solar (req. 2): Debe medirse la tempe-ratura del agua en el rango de [0,84]◦C, con un error absoluto menor a0,8◦C y entre(84,100]◦C con un error absoluto menor a4°C .
6. Medición de caudal de agua (req. 1): Se debe medir el caudal de agua en la entrada o salida del colector en el rango de [0,50]minutolitros , con un error absoluto menor a1minutolitro . El caudalímetro debe soportar agua con un máximo de dureza de 180 ppm de CaCO3.
7. Medición del viento (req. 4): Se debe medir la velocidad del viento en el rango de[0,300]horakm , con un error absoluto máximo de5horakm . También se debe medir la dirección del viento con una precisión de 1 octante. 8. Medición de consumo del termotanque (req. 5): Se debe medir la corriente instantánea consumida por el
termotanque en el rango de[0,10]Arms con un error menor a0,5Arms.
9. GPRS (req. 9): El sistema debe poseer conexión con Internet mediante la red de datos móviles GP RS. 10. Memoria interna (req. 12): El sistema debe poseer una memoria interna que almacene los datos del
desempeño del colector de un período mayor a 2 años.
11. Potencia (req. 6): Debe consumir menos de1W promedio por dia, y picos de potencia (de duración máxima de 1µseg) menores a15W. Durante los intervalos en los que no se realizan mediciones, el consumo debe ser menor a300mW. La corriente de inrush debe ser inferior a400mA.
a) Corrección/Acta de acuerdo (Ver sección 9.1.5): Debe consumir menos de1W promedio por dia, y picos de potencia (de duración máxima de1µseg) menores a15W. La corriente de inrush debe ser inferior a 400mA.
12. Etiquetado (propio): Todos los sensores deben poseer etiquetas que identiquen su función y ubicación en la instalación. Además, cada sensor del sistema debe tener sus cables de diferentes colores.
13. Vida útil (req. 11): el producto debe funcionar independientemente por un período mayor a 2 años. 14. Precio al consumidor (req. 14): el producto nal debe tener un precio menor a 400 U$D. Aclaración: No
se consideran los costos del plan datos necesario para la comunicación.
15. EMI (norm.): Se debe cumplir con el estándar EN 55022/CIPSR 22 para equipos de tecnología de la información.
16. EMS (norm.): Se debe cumplir con el estándar EN 55024 para equipos de tecnología de la información. 17. Peso (req. 11): El peso del producto incluyendo todas sus partes debe ser menor a10kg.
19. Distancia máxima sensores (req. 14): La máxima distancia entre un sensor y el gabinete debe ser menor a 1m.
20. LED indicador de estado (propio): Un LED debe indicar cuando el sistema esta midiendo y cuando está en modo de bajo consumo.
21. Arranque del sistema (req. 13): El sistema debe comenzar a medir al ser conectado a la alimentación, sin la necesidad de realizar un encendido especíco.
22. Funcionamiento (req. 11): El sistema debe permanecer realizando mediciones siempre que esté conectado a la alimentación.
23. Apagado del sistema (req. 13): Se debe perder como máximo una medición (la última) al desconectar el sistema.
24. Documentación de hardware (propio): El diseño de cada módulo de hardware debe estar documentado.
5.2.2. Especicaciones de software
1. Aplicación de Android para usuario (req. 10): La aplicación debe mostrar los grácos correspondientes a todos los datos adquiridos para el colector solar seleccionado por el usuario. El acceso a la información de cada colector debe estar protegida por una contraseña. La aplicación debe ser compatible con la versión
Lollipop(v5,0/v5,1) o posterior.
2. Tratamiento de las mediciones (req. 9): Los datos relevados no serán procesados, pero deben poder des-cargarse por los usuarios autorizados.
3. Presentación de las mediciones (req. 10): La aplicación debe mostrar los grácos correspondientes a todas las mediciones con una base de tiempo congurable por el usuario.
4. Almacenamiento remoto (req. 9): Se deben almacenar los datos relevados del colector en un servidor remoto por un período mayor a 2 años. La cuenta del servidor remoto debe poder ser modicada mediante un mensaje SMS a la cuenta de celular asociada con el colector.
5. Almacenamiento interno (req. 12): Las mediciones se deben almacenar en formato ASCII, con un formato jo por medición.
6. Precisión del instante de medición (req. 7): El instante de cada medición debe almacenarse con precisión mayor a 1 segundo.
7. Relevamiento de datos (req. 7): Se deben realizar mediciones cada intervalos menores a 2 minutos si el colector presenta caudal mayor a 1minutoL , iniciando la medición en menos de 5 minutos posterior al aumento del caudal por encima de 1 L
minuto. El intervalo de medición con caudal menor a 1 L
minuto debe poder ser congurado por el usuario en valores desde 2 minutos hasta 1440 minutos (24 horas) mediante un mensaje SMS a la cuenta asociada con el colector. Los intervalos de medición no pueden variar más de 1 minuto respecto del valor congurado por el usuario.
8. Contraseñas (req. 10): Los datos de cada colector deben ser accedidos mediante el uso de una contraseña de longitud mayor a 5 caracteres alfanuméricos. Por cada colector debe haber una contraseña congurable. 9. Documentación de software (propio): Todas las rutinas deben tener un comentario al comienzo que explique
sus entradas, sus salidas y sus restricciones.
6. Análisis de factibilidad
6.1. Factibilidad tecnológica
6.1.1. Propuesta de alternativas de diseño
Las decisiones de diseño más importantes relacionadas al sistema de relevamiento de datos son: el dispositivo que toma los datos, el almacenamiento de datos y los sensores.
En cuanto al sistema embebido encargado del centro de procesamiento, existen tres posibilidades: un mi-crocontrolador, un PLC o una FPGA (Field Programmable Gate Array). El primero presenta la ventaja de ya poseer los módulos de comunicaciones (SPI, UART, I2C) y conversores AD necesarios para la tarea, por lo que la programación de los mismos es más simple y está secundada por una extensa documentación. El PLC ofrece la posibilidad de utilizar sensores estándar y operar en un rango de condiciones más amplio que el microcon-trolador, pero su costo es mayor. La FPGA presenta la ventaja de poder paralelizar las mediciones, logrando mayor velocidad de procesamiento. Sin embargo, posee la desventaja de tener que realizar algunos módulos a muy bajo nivel y lidiar con diagramas de tiempos complejos.
Dentro de la opción del microcontrolador, surgen dos alternativas: Se puede utilizar un dispositivo comercial de alto nivel como Arduino o Raspberry Pi, o un microcontrolador de las principales empresas de semiconduc-tores como Texas Instr., NXP, etc. La primera opción cuenta con la ventaja del gran número de librerías de alto nivel gratuitas disponibles en Internet, que simplican fuertemente la programación y disminuyen drásticamente los tiempos de desarrollo. Su principal desventaja es el mayor costo frente a la segunda opción, cuyos valores comerciales se encuentran unas decenas de dólares por debajo. Además, los microcontroladores profesionales presentan mayor exibilidad, pero necesitan de una programación en bajo nivel sin la ayuda de numerosas librerías.
Relativo al almacenamiento remoto, existen dos posibilidades: Se puede desarrollar un servidor propio que reciba los datos directamente de la cuenta del colector, interprete las mediciones con un formato propio y las almacene en un disco duro propio. A pesar de independizar al diseño de un tercero, esta opción tiene la desventaja de implicar un mayor costo de armado y mantenimiento del servidor propio. La segunda opción es la de utilizar un servicio de almacenamiento en la nube otorgado por un tercero, y adecuarse al formato de comunicación impuesto por dicho tercero. Esta variante ofrece la ventaja de reducir los tiempos de diseño considerablemente, pero la desventaja de necesitar adecuarse a los posibles cambios impuestos por el proveedor del servicio de almacenamiento.
Los sensores pueden ser tanto industriales como no industriales: Los primeros ofrecen la seguridad de estar certicados, poder medir con menor error y operar en un mayor rango de condiciones, pero en muchas ocasiones necesitan un acondicionamiento de la señal sensada, y son de mayor costo. En cambio, los no industriales operan en un rango reducido de condiciones, pero otorgan una señal de salida en niveles de tensión acordes a un microcontrolador (5V o 3,3V) o mediante protocolos digitales estándar (I2C, SPI, etc.), y tienen un precio menor.
6.1.2. Elección de una solución
El dispositivo de relevamiento de datos más adecuado para este producto es el microcontrolador. Esta opción disminuye el costo y el tiempo de diseño, ya que permite utilizar librerías de drivers para las funciones básicas de cada submódulo, y se encuentra disponible una vasta documentación de cada uno. El microcontrolador tiene prestaciones similares a un PLC considerando la precisión con la que se desean obtener las mediciones, y su precio es signicativamente menor (el PLC más económico tiene un costo de 200U$D, mientras que el costo de un microcontrolador promedio ronda los 5 U$D). A pesar de que la programación de la lectura de sensores es más simple en un PLC que en un microcontrolador (por la disponibilidad de librerías dedicadas más fáciles de utilizar), el manejo de la interfaz con el servidor remoto resulta más complejo que con el microcontrolador. Teniendo en cuenta las especicaciones de diseño, no es necesario realizar mediciones en intervalos muy cortos (sólo deben ser menores a 1 minuto), por lo que el uso de una FPGA implicaría un injusticado aumento en la complejidad del diseño. Además, un microcontrolador presenta un costo menor que una FPGA de rendimiento similar, siendo una mejor alternativa para cumplir el requerimiento de que sea un sistema bajo costo.
En relación a la elección de la familia de microcontroladores, se prioriza el precio para poder cumplir el requerimiento de bajo costo, aunque esta elección signique un número signicativamente mayor de horas de desarrollo de drivers y librerías de bajo nivel. Además, los microcontroladores profesionales poseen exibilidad en cuanto a su consumo de potencia, y simplican el cumplimiento del requerimiento de bajo consumo del sistema.
de las mediciones son de poco tamaño (en la sección de ingeniería de detalle se analiza este punto en mayor profundidad). En segundo lugar, disminuye críticamente el tiempo de diseño y desarrollo del producto.
6.1.3. DFMEA
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F u e n te s o F u e n te re g u la d a de 3.3 y 5 V o lt. S e n so re s o Cau d alí me tro . o S e n so r d e te m p e rat u ra. o Me d id o r d e rad iac ió n s o lar. o Me d id o r d e d ire cc ió n d e l vi e n to . o Me d id o r d e vel o cid ad d e l vi e n to . o S e n so r d e c o rr ie n te e lé ctr ic a. Co n tr o l o Mi cro co n tr o lad o r. o S o ftw are d e o b te n ci ó n d e d ato s. Co mu n icac ion e s o Plac a GPR S . o S o ftw are d e mane jo d e c o mu n ic ac ion e s S e g u ri d a d o S o b re te n sió n d e la al im e n tació n d e lí n e a. o E xp o si cióna la in
Su bsi stem as Posi b le e fec to Fal la p o te n ci al
C
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Co n tr o l d e p re ve n ci ó n Co n tr o l d e d e te cc ió n A cc io n e sSe
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rid
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Detecc
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RPN
Fu en te re gu lad a d e 3.3 Vo lt Ma l fu n cion amie n to d el m icrocon tro lad o r, d añ o irrev er sib le a circ u ito s in tern o s. Te n sión d e salid a m ay o r a 5V. Sob re ten sión d e alim en ta ción d e en tra d a.4
3
5
60
U tiliza r u n a fu en te q u e sop o rt e may o re s v ar iacion es d e t en sión . Pro tecc ión co n tra sob re te n sió n en la en tra d a d el m icrocon tro lad o r. Re aliz ar e n say o s d e sob re ten sión .4
1
5
20
Ma l fu n cion amie n to d el m icrocon tro lad o r. La s me d icion e s n o se t o m an correctam en te. Te n sión d e salid a m en o r a 3V Corto circ u ito d e la salid a d e la fu en te . Corte en la re d d e línea.3
2
5
30
Ve rif icar la act u aliz ació n d e d at o s en el s er vid o r re m o to . U til iza r u n L ED q u e in d iq u e si el m icrocon tro lad o r e stá r ecibi e n d o a lim en ta ción .3
2
2
12
Cau d alím etro Me d ici o n e s co n erro r. Rot u ra p o r cau d al exce si vo Sob re carga d el cau d al d el co le cto r.4
3
4
48
Prev en ir a l u su ar io d e n o exce d er el lím ite d e ca rga d el co le cto r. Li m ita r el u so a c o le cto re s q u e n o p u ed an sup era r el lím it e. G u ard ar en la me m o ria in tern a u n a ad ve rten cia si se s u p era el lí m ite es p e cif icad o . Ma n u al d e Us u ar io4
1
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16
Se co rta n la s m ed ici o n es d el cau d alím etro La p aleta d el s en so r d eja d e gira r correctam en te. In cru sta cion es d e carb o n at o s en el cau d alím etro p o r agu as d u ra s.4
3
3
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As e gu ra r q ue el cau
Posi b le e fec to Fal la p o te n ci al
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r d e era tu ra Me d ici o n e s co n erro r Rot u ra p o r b aj as tem p era tu ra . Con ge lam ie n to d e la tu b ería.4
3
4
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As e gu rar q ue el s
6.2. Factibilidad de tiempos
El desarrollo del proyecto estuvo dividido en una etapa de inicio y dos etapas de desarrollo. En septiembre del año 2015, surgió la propuesta del ITBA y FOVISEE, se realizó un estudio del proyecto y se dividieron las tareas entre las distintas ingenierías involucradas. La primera etapa de desarrollo, entre enero y febrero de 2016, consistió en el diseño y armado del prototipo para cumplir con una entrega parcial al Banco Santander en abril de 2016. La segunda etapa de desarrollo, entre abril y noviembre de 2016, estuvo dedicada a mejorar el prototipo diseñado, realizar las pruebas y validaciones del mismo y escribir la documentación del proyecto.
6.2.1. Planicación
Tarea Inicio Fin Duración Topt Test Tpes µ σ Tareas que la preceden
Estudio del proyecto 28-09-15 01-11-15 34,16 15 35 50 34,17 5,83 Ninguna
Análisis de requerimientos 01-11-15 17-11-15 16,66 10 15 30 16,67 3,33 Estudio del proyecto
Encargo de componentes 17-11-15 23-11-15 5,16 1 5 10 5,17 1,50 Análisis de
requerimientos
Arribo de componentes 23-11-15 06-12-15 13,83 7 14 20 13,83 2,17 Encargo de
componentes
Testeo de microcontroladores 06-12-15 31-12-15 25 10 25 40 25,00 5,00 Arribo de
componentes
Testeo de sensores 06-12-15 27-12-15 20,66 10 21 30 20,67 3,33 Arribo de
componentes
Testeo de módulo de comunicación 06-12-15 27-12-15 20,67 10 21 30 20,67 3,33 Arribo de
componentes
Análisis eléctrico de cada bloque 27-12-15 15-01-16 18,66 7 20 25 18,67 3,00 Testeo de sensores
Diseño de interfaces eléctricas 15-01-16 13-02-16 29 14 30 40 29,00 4,33 Análisis eléctrico de
cada bloque. Testeo de módulo de comunicación
Programación de drivers 27-12-15 07-02-16 41,5 21 42 60 41,50 6,50 Testeo de
microcontroladores
Diseño de sistema de encapsulado 15-01-16 25-02-16 41,5 21 42 60 41,50 6,50 Diseño de interfaces
eléctricas
Diseño de interfaz de monitoreo 07-02-16 13-03-16 35,83 25 35 50 35,83 4,17 Programación de
drivers
Diseño de montado 25-02-16 28-03-16 31,66 20 30 50 31,67 5,00 Diseño de sistema de
encapsulado
Puesta en marcha del microcontrolador 13-03-16 02-04-16 19,83 7 20 32 19,83 4,17 Diseño de interfaz de
monitoreo
Prueba de comunicación 02-04-16 17-04-16 14,5 7 15 20 14,50 2,17 Puesta en marcha del
microcontrolador
Prueba de sensado 02-04-16 19-04-16 16,83 7 18 22 16,83 2,50 Puesta en marcha del
microcontrolador
Prueba de sensado y comunicación 19-04-16 04-05-16 14,5 7 15 20 14,50 2,17 Prueba de
comunicación. Prueba de sensado
Prueba de funcionamiento continuo 04-05-16 18-05-16 14,5 7 15 20 14,50 2,17 Prueba de sensado.
Prueba de sensado y comunicación
Montado 18-05-16 16-08-16 90 60 90 120 90,00 10,00 Prueba de
funcionamiento continuo. Prueba de comunicación
Relevamiento de datos 16-08-16 11-11-16 86,66 60 90 100 86,67 6,67 Montado
Documentado de funcionamiento 16-08-16 15-09-16 30 20 30 40 30,00 3,33 Relevamiento de
datos
Ajustes y calibraciones 11-11-16 28-11-16 17,16 7 14 40 17,17 5,50 Relevamiento de
datos
Redacción de informe 27-12-15 24-10-16 301,66 250 300 360 301,67 18,33 Testeo de
microcontroladores
Presentación Aula Magna 28-11-16 0 0 0 0 0,00 0,00 Redacción de informe.
Documentado de funcionamiento.
Ajustes y calibraciones
Cuadro 1: Diagrama de Tiempos
Para más detalle se explica cada actividad:
Estudio del proyecto: Durante esta etapa se determinó qué actividades era necesarias para poder llevar a cabo el proyecto, cuáles eran las prioridades de estas y qué requería el proyecto para poder satisfacer al cliente.
Análisis de requerimientos: Se llevó a cabo un estudio sobre los requerimientos del cliente, y en base a éstos se determinó qué componentes iban a necesitarse.
Encargo de componentes: Se hizo una busqueda de proveedores para poder determinar un presupuesto, para luego realizar los encargos de materias primas necesarias.
Testeo general: Una vez que se obtuvieron los componentes encargados, se realizó un testeo de general de cada uno para corroborar su funcionamiento.
Testeo de microcontroladores: En esta actividad se tomaron las placas de desarrollo y se las dejó aptas para comenzar a trabajar, es decir se agregó el bootloader, pines macho para conexionado, y se instaló la interfaz de desarrollo del microcontrolador para comenzar a prototipar.
Testeo de sensores: El testeo de los sensores se llevó a cabo para vericar si su funcionamiento era el esperado y especicado, qué tipo de manejo requería por parte del microcontrolador, y un estudio acerca de cómo debían implementarse los drivers.
Testeo de sistema de comunicación: El sistema de comunicación requiere una tarjeta SIM, por lo que se corroboró mediante el comando apropiado que acepte la tarjeta.
Análisis eléctrico de cada bloque: Cada bloque posee una interfaz de comunicación, ya sea digital (con un protocolo propio o estándar) o análogica. Además, cada bloque requiere un nivel lógico para funcionar y un nivel de tensión para ser alimentado.
Diseño de interfaces eléctricas: El sistema debe manejar diversos niveles de tensión y protocolos, por lo que fue necesario compatibilizar todos los componentes.
Programación de drivers: Durante esta actividad se programaron todos los drivers que permiten el manejo de los perifericos a ser utilizados por el microcontrolador.
Diseño del sistema de encapsulado: El sistema de encapsulado encuadró todo lo relacionado a la protección del sistema en la intemperie.
Diseño de montado: La disposición dentro del encapsulado, las conexiones con el exterior del encapsulado y placas de interfaz con el microcontrolador.
Diseño de interfaz de monitoreo: Durante esta actividad se encontró un sistema que ya cumplía todos los requisitos que eran necesarios, por lo que la actividad se redujo a congurar este sistema en base a las necesidades del producto.
Puesta en marcha del microcontrolador: Una vez que se conectaron todos los sensores, se analizaron las interfaces eléctricas y se programaron los drivers, fue posible comenzar a armar el sistema que maneja la recolección de datos, el modo de bajo consumo y las operaciones necesarias para hacer llegar los datos al cliente.
Pruebas de comunicación y sensado: Una vez que el microcontrolador ha sido puesto en marcha se com-prueba que funcione en conjunto con los modulos, sensando y comunicando los datos pedidos.
Montado: El sistema fue instalado en el sitio de prueba.
Relevamiento de datos: Durante esta actividad se realizó todo el relevamiento de datos necesario para la fase de pruebas.
Inicio 28/09/15Duración 34.16667 Inicio 01/11/15Duración 16.66667
Fin 01/11/15ID 1 Fin 17/11/15ID 2
Inicio 06/12/15Duración 25 Inicio 17/11/15Duración 5.166667
Fin 31/12/15ID 4 Fin 23/11/15ID 3
Inicio 06/12/15Duración 25 Inicio 06/12/15Duración 0 Inicio 06/12/15Duración 20.67
Fin 31/12/15ID 5 Fin 27/12/15ID 6 Fin 27/12/15ID 7
Inicio 27/12/15Duración 41.5 Inicio 27/12/15Duración 18.66667
Fin 07/02/16ID 10 Fin 15/01/16ID 8
Inicio 07/02/16Duración 35.83333 Inicio 15/01/16Duración 29
Fin 13/03/16ID 12 Fin 13/02/16ID 9
Inicio 13/03/16Duración 19.83333 Inicio 15/01/16Duración 41.5
Fin 02/04/16ID 14 Fin 25/02/16ID 11
Inicio 02/04/16Duración 14.5 Inicio 02/04/16Duración 16.8333333 Inicio 25/02/16Duración 31.6666667
Fin 17/04/16ID 15 Fin 19/04/16ID 16 Fin 28/03/16ID 13
Inicio 19/04/16Duración 14.5
Fin 04/05/16ID 17
Inicio 27/10/00Duración 301.6667
Inicio 04/05/16Duración 14.5 Fin 24/10/16ID 23
Fin 18/05/16ID 18
Inicio 18/05/16Duración 90 Inicio 16/08/16Duración 30
Fin 16/08/16ID 19 Fin 15/09/16ID 21
Inicio 16/08/16Duración 86.66667 Inicio 00/01/00Duración 17.166667
Fin 11/11/16ID 20 Fin 28/11/16ID 22
Inicio 28/11/16Duración 0
Fin 00/01/00ID 24
Testeo de módulo de comunicación
Diseño de interfaces eléctricas Análisis eléctrico de cada bloque
Diseño de sistema de encapsulado
Estudio del proyecto Análisis de requerimientos
Encargo de componentes Arribo de componentes
Testeo de microcontroladores Testeo de sensores
Puesta en marcha del microcontrolador Diseño de interfaz de monitoreo
Programación de drivers
Documentado de funcionamiento
Redacción de informe Testeo de microcontroladores
Presentación Aula Magna Prueba de sensado
Prueba de sensado y comunicación
Prueba de funcionamiento continuo
Montado
Relevamiento de datos Ajustes y calibraciones
Como puede observarse en las redes PERT, el camino crítico depende en gran parte del microcontrolador, las pruebas de los módulos y el montado. También se observa que la redacción del informe debería acompañar el proyecto hasta el nalización del mismo, es decir la presentación en el Aula Magna.
6.2.2. Programación
La gura 7 muestra el diagrama de Gantt del proyecto. Se puede visualizar qué actividades dan huelgo y permiten un margen para su cumplimiento, a la hora de paralelizar el trabajo entre integrantes del grupo y establecer prioridades. Se le debe dar especial atención a las actividades que conforman el camino crítico para poder entregar el proyecto a nes del año 2016.
Figura 7: Diagrama de Gantt
La programación muestra como distribuir el trabajo en caso de solapamiento de actividades, hay un caso donde se solapan cuatro actividades, esto se debe al hecho que el informe esta una actividad que conlleva documentado. Por lo que las actividades realizadas siempre son llevadas al informe de forma contemporanea como documentado.
6.3. Factibilidad económica
En esta sección se realiza un análisis económico del proyecto. Es importante destacar que este sistema de adquisición de datos no posee nes de lucro, ya que se encuentra bajo un proyecto de caracter social impul-sado por el ITBA y FOVISEE. El proyecto recibió del banco Santander, un presupuesto inicial de 8000 pesos argentinos para desarrollar el prototipo.
Costos del prototipo En el cuadro 2, se muestran los costos directos e indirectos del prototipo, siendo los costos directos aquellos asociados con la producción de una unidad y los costos indirectos aquellos asociados al desarrollo del prototipo. No se consideraron los costos de mano de obra e instalaciones, ya que el prototipo fue realizado en su totalidad en el ITBA, y los alumnos no esperaban una retribución económica a cambio de su trabajo. Todos los precios que se encuentran en la tabla que no son de origen nacional y cotizan en dólares estadounidenses, fueron convertidos a su equivalente en peso argentino, considerando que 15 pesos equivalen a 1 dólar y se indican con un asterísco (*). El costo total del prototipo es de 3730 pesos, menor a la mitad de los 8000 pesos de presupuesto para el desarrollo del prototipo. Este excedente puede ser utilizado para la fabricación de la primera tira de producto nal.
Costos Precio Unitario [Pesos] Cantidad Precio total [Pesos]
Directos
Kinetis Freedom KL25z Evaluation Board* 350 1 350
Level Shifter* 100 1 100
Prensa-cables y tapones 10 5 50
Gabinete 121 1 121
Lector de tarjeta de memoria* 55 1 55
Cables 21 1 21
Sensor de temperatura* 100 2 200
Caudalímetro 699 1 699
Anemómetro* 700 1 700
Sensor de radiación* 100 1 100
Placa EFcomProV10* 450 1 450
Fuente de alimentación de 9V 300 1 300
Fuente de alimentación de 5V y 3V3* 55 1 55
Componentes varios + repuestos* 500 1 500
Chip Claro 50 1 50
Memoria SD 8GBy 79 1 79
Indirectos
Cable Mini-USB* 150 1 150
Ácido para placa 99 1 99
Total General 3730
Cuadro 2: Costos
Tarea Horas necesarias Start-up y entrenamiento 8:00 (1 día)
Armado del gabinete entre 1:00 y 1:30 Vericación del producto entre 1:30 y 2:00 Instalación entre 3:00 y 4:00
Total promedio (1 producto) 6:75 Total promedio (10 producto) 75:30 hs∼=10 días
(a) Horas hombre necesarias para el armado, vericación e ins-talación
Costo en mano 18000pesosmes Factor personal temporario 1,9∗18000 = 34200pesosmes
Semanas necesarias 2semanas
Total 17100pesos
(b) Costos asociados al armado, vericación e instalación de 10 equi-pos.
Cuadro 3: Cálculo de costos de armado, vericación e instalación.
La mayor proporción del costo de los insumos se atribuye al anemómetro y al caudalímetro, cuyos distri-buidores no ofrecen descuentos por comprar varias unidades. Para una producción mayor a 10 unidades sería necesario negociar con los distribuidores una reducción del precio unitario, o cambiar el caudalímetro y el anemómetro por otros modelos de funcionalidad similar que ofrezcan descuentos por compras mayoristas.
Costos Precio por unidad si
se compran 10 unidades [Pesos]
Cantidad Precio total [Pesos]
Directos
Microcontrolador MKL25Z* 85 1 85
Gabinete 121 1 121
Prensa-cables y tapones 10 5 50
Cables 21 1 21
Lector de tarjeta de memoria* 55 1 55
Sensor de temperatura* 100 2 200
Caudalímetro 699 1 699
Anemómetro* 700 1 700
Sensor de radiación* 44 1 44
SIM900* 150 1 150
Fuente de alimentación de 9V* 193 1 193
Reguladores lineales de 5V y
3V3* 29 1 29
Fabricación del PCB y colocación de componentes en
China*
240 1 240
Componentes* 100 1 100
Chip Claro 50 1 50
Memoria SD 8GBy 79 1 79
Mano de obra para armado, vericación e instalación de los
equipos
1710 1 1710
Indirectos
Envío de PCB más impuestos* 45 1 45
Total General 4571
Cuadro 4: Costos estimados del producto nal
La tecnología de los sensores y el microcontrolador es relativamente actual y no es probable que sufra grandes modicaciones en los próximos 5 años (3 años del ciclo de vida económico más 2 años de vida útil). El módulo de comunicaciones móviles es el factor limitante del ciclo de vida del producto, ya que es probable que la red GPRS sea reemplazada en los próximos años. Sin embargo, el diseño modular del sistema permite modicar la tecnología del módulo de comunicaciones sin tener que realizar cambios signicativas del resto de los módulos. Además, los recursos del microcontrolador (memorias Flash y RAM, pines libres, conversores y módulos de comunicaciones) y la memoria interna se encuentran utilizados en menos del 50 % de su capacidad total, por lo que es posible realizar desarrollos incrementales en el futuro. De esta forma, reemplazando el módulo de comunicaciones se podría extender el ciclo de vida del producto otros 5 años (usando una estimación de la duración promedio de una tecnología de comunicación celular).
El producto pertenece a la categoría de 'Internet of Things', que se encuentra en pleno auge en la actualidad, debido a la reducción de costos de los microcontroladores y la facilidad de acceso a las comunicaciones móviles e Internet. Aunque actualmente no existen empresas de IoT enfocadas en la medición de colectores solares, es posible que en el futuro alguna de ellas decida adaptar su producto para la medición de colectores solares. Esta competencia podría signicar una reducción en el ciclo de vida del producto, ya que FOVISEE y el ITBA podrían optar por un producto de otra empresa.
Costos de operación La comunicación GPRS requiere un plan de datos móviles con acceso a Internet. Aunque la elección de la compañía proveedora del plan de datos es realizada por el usuario, a continuación se analiza una estimación del costo de operación del sistema. Si se considera que el envío de cada medición requiere aproximadamente250Bytes (ver sección 7.1.2), la conrmación del servidor remoto requiere otros300Bytesy se envían un máximo de 720 mediciones por día (si se congura en el período mínimo de una medición cada 2 minutos), se obtiene un máximo de 12M Byde datos enviados por mes. Por ejemplo, si se elige la empresa Claro Argentina, el plan de datos más económico ofrece1GByde datos por 250 pesos mensuales, y supera con un margen de de 1012M By el máximo de datos necesarios por mes. Además el plan incluye SMS ilimitados que pueden ser utilizados para mandar los SMS de conguración necesarios. Siguiendo este razonamiento, el costo mínimo de operación del sistema es250pesos mensuales. Las empresas Personal y Movistar ofrecen planes similares por260pesos mensuales y250 pesos mensuales respectivamente.
6.4. Factibilidad legal y responsabilidad civil
El diseño debe cumplir las normas IRAM2086, IEC 529 IP55, EN 55022/CIPSR 22 y EN 55024/CIPSR 24. Todas las normas se encuentran adjuntas en el anexo de este documento.
La norma IRAM2086 establece los requisitos que debe cumplir el tomacorrientes que se conecta a la red eléctrica. El diseño debe considerar esta norma para que sea compatible con los conectores estándares de Argentina y respete las leyes del país.
La norma IEC 529 IP55, establece los grados de protección que debe tener el sistema: La sigla '5' indica la protección contra polvo, y la sigla '5' se reere a la protección contra chorros de agua a baja presión. Estas protecciones son las mínimas necesarias para el correcto funcionamiento del sistema en el techo de una casa. El gabinete del sistema debe evitar las ltraciones de agua de lluvia y el ingreso de polvo y objetos sólidos indeseados.
7. Ingeniería del detalle
En esta sección se realiza el análisis en detalle del diseño, explicando los diferentes módulos y sus compo-nentes. La elección de cada módulo se basa en las especicaciones de diseño jadas en la sección 5.2.
El esquema principal del sistema se muestra en la gura 8, característico de una aplicación IoT. Los sensores del sistema toman los mediciones de las variables del colector solar, que son comunicados al microprocesador, que guarda las mediciones en una memoria SD interna y también las transmite al módulo de comunicaciones. Luego, el módulo de comunicaciones envía las mediciones al servidor remoto online mediante la red celular GPRS. Las mediciones almacenadas en el servidor son accedidas por una PC o una aplicación de un smartphone, que posea conexión a Internet. Las mediciones se muestran al usuario en tiempo real. En caso de ser necesario, las mediciones de la memoria interna pueden subirse al servidor online mediante un programa de MATLAB que viene incluido con el producto o de forma manual por el usuario.
7.0.1. Hardware
Figura 9: Diagrama de Hardware
Diagrama de bloques
Descripción detallada de cada bloque Módulo GPRS
La comunicación con la red de datos móviles es manejada con el IC SIM900 que posee un transreceptor para transmitir en bandas de 850/900/1800/1900 MHz. Este dispositivo trabaja con una tensión de alimentación de 5V. El módulo es controlado utilizando el protocolo UART con niveles lógicos de5V. Además, tiene la opción de permancer apagado cuando no trasmite, que se controla con la señal de control PWR ( Power). Esta señal de control no requiere5V de nivel lógico, pudiendo ser manejada directamente con los3,3V del controlador. El integrado verica la tensión de entrada, asegurándose que esté dentro del rango permitido, sino apaga el módulo para prevenir daños.
El SIM900 presenta picos de corriente durante la trasmisión de hasta1,5A, por lo que es necesario agregar un capacitor electrolítico de 4,7µF a la entrada para ltrarlos, no dañar la fuente del sistema y cumplir los requerimientos de picos de potencia. Para poder trasmitir datos por la red celular, el integrado requiere de una tarjeta SIM estándar cuya portadora transmita en las bandas de frecuencia en la cual el SIM900 funciona y también un plan de datos que le permita acceder al servidor remoto.
Microcontrolador
Se utiliza la familia de microcontroladores de NXP (originalmente Freescale) KL25, especialmente el modelo MCU MKL25Z128VLK4. El microcontrolador se comunica con los distintos módulos utilizando los protocolos I2C, UART y GPIO. Este bloque recibe una tensión de alimentación de 3,3V y todas sus entradas y salidas poseen ese mismo nivel de tensión.
Caudalímetro
El caudalimetroY F −G1 posee tres conexiones cableadas, una para la referencia, otra para la alimentación y la última para la señal de interés. La tensión de alimentación es de3,3V y los niveles lógicos manejados son de ese mismo valor. Por especicación del sensor la señal de interés debe poseer un resistor de pull-up de10kΩ. La tecnología utilizada es de tipo paleta con un sensor que genera una señal cuadrada de frecuencia proporcional al caudal circulante con una sensibilidad de 1
420
litros
puslo. Este sensor tiene una pulgada de diámetro y dos conectores de rosca hembra.
Sensor de radiación
El sensor BH1750FVI utiliza el protocolo I2C para comunicarse, y maneja tensiones de3,3V como niveles lógicos y de alimentación. Además, este sensor posee una dirección que puede congurarse en dos alternativas, según como se encuentre conectado el pin de address, que modica el bit más signicativo de la dirección. El software del microcontrolador tiene congurada la dirección del dispositivo con un '0' en la posición más signicativa, por lo que el pin de address se encuentra conectado a referencia (0V). Además, el sensor mide la radiación en unidades de lux y comunica su valor mediante I2C. Dicho valor de radiación es convertido a mW2 por el
microcontrolador, utilizando la constante aproximada de conversión para luz solar1lux= 4,02W m2.
Sensor de temperatura:
El sensor de temperatura consiste del IC DS18B20 envainado para que sea apto para la inmersión. Este sensor posee tres cables de conexión para referencia, alimentación y señal de interés. La tensión manejada es de 3.3V y posee un protocolo propio por lo que el manejo de éste se realiza mediante el módulo GPIO del microcontro-lador. La tecnología es de la categoría de circuito integrado, estos varian un cierto parámetro medible interno, usualmente la tensión de un semiconductor, a partir de la cual derivan un valor de temperatura.
Sensor de viento
Se utiliza el anemómetro Davis 7911 que posee cuatro cables de conexión: Uno para referencia, otro para alimentación y dos para señales de interés. Las señales de interés son para enviar la dirección y sentido del viento sensados. La dirección se indica analógicamente con un valor de tensión entre0V y3,3V para valores entre0 y360 grados respectivamente. Para la velocidad del viento el sensor utiliza una tecnología similar a la del caudalímetro, que comunica el dato sensado en base a una señal cuadrada de frecuencia proporcional a la velocidad del viento. Las señales requieren un capacitor anti jitter de 10µF para la velocidad, un resistor de pull-up de 4k7Ωy un capacitor anti rebote de15nF para la dirección.
Amperímetro
Se utiliza el sensor de efecto hall ACS712, que mide corriente instantánea. Este dispositivo funciona con una tensión de alimentación de5V, mide en un rango de ±20Ay otorga una salida analógica de tensión entre0V y 5V. El sensor tiene una salida de2,5V para marcar los0A, y una sensibilidad de100mVA .
Fuente de alimentación
La alimentación del sistema consta de dos partes: La primera parte es una fuente switching con aislación galvánica, que es utilizada para obtener 9V de tensión continua a partir de los 220Vrms de alterna de la red domiciliaria. La segunda fuente recibe los9V y genera tensiones de3,3V y5V simultaneamente. Esta fuente se encuentra compuesta por dos reguladores lineales independientes: El AMS1117-3.3 para la salida de3,3V y el AMS1117-5 para la salida de5V. La ventaja de tener 2 fuentes independientes es una mejor regulación de carga y una menor variación de cada tensión de alimentación. La elección de estos se dió por rapida disponibilidad y facildiad de implementación, ademas de tener garantizado el funcionamiento del producto por parte del fabricante, ahorrando horas-hombre.
Conversor de nivel
El conversor de nivel es necesario para adaptar la tensión entre el microcontrolador de 3,3V y el dispositivo SIM900 que se maneja con5V. Debido a que las tasas de datos de comunicación serial son bajas (menores a 10 kbps), el conversor de nivel no genera retardos que afecten y comprometan la transmisión de información. El conversor elegido es el BC547, de tecnología MOSFET que funciona de forma bidireccional.
El módulo SIM900 es estándar y el más económico de los módulos que permiten comunicación GPRS. Este chip cumple los requerimientos de comunicación para las bandas utilizadas en el país y utiliza el protocolo TCP/IP. Además, presenta la ventaja de ser de bajo consumo y tener un rango de operación entre -30°C y 90°C (presentando un margen de 30°C para calentamiento interno del gabinete respecto de la especicación de diseño). La comunicación se realiza mediante los comandos AT, que son estándar en la industria de las telecomunicaciones. Se comunica utilizando UART, que es compatible con el microcontrolador KL25. Este integrado recibe una alimentación de 5V.
Microcontrolador
Se eligió el MKL25Z128VLK4 basándose en el bajo consumo de potencia, bajo costo y la prestación que brinda. Este microcontrolador presenta la posibilidad de apagarse casi por completo hasta que suceda una condición de encendido. Su unidad LLWU (Low Leakage Wakeup Unit) permite elegir entre diferentes opciones de bajo consumo, que dan exibilidad a la hora de disminuir el consumo cuando no se están relevando mediciones. Por otro lado se eligió en base a la cantidad de pines y modos de comunicación que posee, ya que ofrece numerosas variantes de protocolos de comunicación, tanto SPI, como I2C y UART, que son necesarias para poder recibir los datos de los sensores. Posee un módulo ADC de alta resolución (hasta 14 bits), de resolución suciente para los sensores que transmiten datos analógicos. Además tiene la posibilidad de utilizar un RTC (Real Time Clock) interno para contar los intervalos entre mediciones, que evita la necesidad de un RTC externo. Este microcontolador provee un entorno de programación bien documentado, reciente (2013) y fácil para un rápido desarrollo. El precio del integrado es muy bajo, sale 2.43 USD si se compran más de 100 unidades o 2.65 USD si se compran más de 25 unidades. Su rango de operación es de -40°C a 105°C, que supone un margen de 45°C para que se caliente el interior del gabinete en base a las especicaciones de diseño.
Caudalímetro
El caudalímetro es capaz de medir en el rango de 0 a 100 litros
min con una precisión de 0.16 litros
min , que cumple con el mínimo especicado de 1litromin . Su rango de temperaturas de trabajo va de 0°C a 75°C. Cabe aclarar que es necesario instalarlo en la entrada del colector donde se el agua es fría y no supera el límite de 75°C. Circuitalmente se utilizó la conguración de pull-up del fabricante utilizando un resistor de10KΩ.
Sensor de radiación
El sensor de radiación es capaz de medir desde 0 a 65535 lx y con resolución ajustable entre 0.5lxy 4lx. Para la radiación de origen solar,4,02mW2 son aproximadamente equivalentes a 1lx, por lo que la precisión del sensor
equivale a16,08mW2, cumpliendo con la mínima precisión especicada de50
W
m2. Además, este sensor mide en el
rango de[500,600]nm, según la curva de la gura 10, con una máxima diferencia de atenuación de 0.8, por lo que cumple con las especicación de diseño.
Figura 10: Respuesta Espectral del sensor
Sensor de temperatura: